Nghiên cứu đánh giá hiệu quả thu hồi năng lượng của hệ thống phanh tái sinh trên ô tô

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ THU
HỒI NĂNG LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG PHANH
TÁI SINH TRÊN Ô TÔ
Giảng viên hướng dẫn: GV.Ths DƯƠNG TUẤN
TÙNG

Sinh viên thực hiện:
NGUYỄN QUỐC KHỞI
MSSV:16145427
PHẠM TUẤN GIÀO
MSSV:16145369


NỘI DUNG ĐỒ ÁN

TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH

01

PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ THU HỒI

02

C R E AT I V E

NĂNG LƯỢNG

VENUS

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ THU HỒI NĂNG LƯỢNG TRÊN XE CỤ

03

04

THỂ

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

01/30


01

TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH

1.1 Giới thiệu chung
Hệ thống phanh tái sinh
(Regenerative Braking System: RBS)

Một chiếc xe ô tô có khối lượng 300kg đang di chuyển với vận tốc 72km/h. Ta sử dụng hệ thống phanh thơng thường để giảm tớc xe x́ng còn 32km/h thì giá trị năng lượng tiêu tốn được tính theo công
thức:

sẽ là 47, 8 kJ.

 

Giả sử thu hồi lại được 25% năng lượng đó (tức là 25 % của 47, 8 kJ = 11,95kJ). Năng lượng này đủ để gia tốc chiếc xe này lên tốc độ từ 0 đến 32 km/h.

Toyota Prius với hệ thống phanh tái sinh góp phần giảm đến 50% suất tiêu hao nhiên liệu từ trên 9
lít/100km (với phiên bản chỉ dùng động cơ đốt trong) xuống còn trên 4 lít/100km (với phiên bản

Hybrid)

02/30


01

TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH

1.2 Tổng quan về hướng nghiên cứu

Hệ thống phanh tái sinh (RBS)

Xe điện - xe lai (HEV)&EV

Ắc quy cao áp

Siêu tụ

Xe truyền thống

Bánh đà

Thủy lực

Vật liệu đàn hồi

Kết hợp bánh đà và máy phát
điện

Mô tơ/Máy phát
03/30


01

TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH

1.3 Phân tích và so sánh các phương án tích trữ năng lượng của hệ thống RBS

- Xét về độ ổn định thì bánh đà là phương án cho đợ ổn định cao nhất không phụ thuộc vào tải, nhiệt
độ và trạng thái sạc. Tiếp theo là ắc quy Li-ion, ắc quy axit-chì. Siêu tụ đạt mức đợ ổn định thấp nhất
với 30%.

0
0
Xét về khả năng chịu nhiệt thì bánh đà có khả năng chịu nhiệt tốt nhất từ -40 C đến 150 C; kế tiếp là
0
0
đến siêu tụ và sau cùng là ắc quy axit-chì với giải nhiệt đợ từ -15 C đến 50 C

04/30


01

TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH

1.3 Phân tích và so sánh các phương án tích trữ năng lượng của hệ thống RBS

Xét về hiệu suất: Điện-thủy lực là phương án có hiệu suất
lớn nhất, kế đến là siêu tụ có hiệu suất tương đương với
phương án tích trữ bằng thủy lực. Ắc quy có hiệu suất thấp

Xét về suất tiêu hao nhiên liệu thì siêu tụ cho phép giảm 40%

Xét về giá thành bánh đà là phương án rẻ nhất với 15% sau

suất tiêu hao nhiên liệu, kế tiếp là bánh đà với 27%, phương án

ắc quy là 6% kế tiếp đến là siêu tụ 32% và sau cùng là thủy lực

tích trữ bằng thủy lực và ắc quy lần lượt là 18% và 15%.

47%.

nhất bởi vì khả năng phóng của nó thì nhanh nhưng khả
năng nạp thì lại rất lâu.

05/30


02

PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ THU HỒI

PHƯƠNG ÁN PHÂN BỐ ĐIỀU KHIỂN LỰC PHANH

HIỆU SUẤT THU HỒI NĂNG LƯỢNG VÀ HIỆU SUẤT TÍCH LŨY NĂNG LƯỢNG CỦA ẮC QUY

VẤN ĐỀ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG

06/30


02

PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ THU HỒI

Kiểu truyền lực Hybrid nối tiếp

Kiểu truyền lực Hybrid

Kiểu truyền lực Hybrid

song song

hỗn hợp

Động cơ đốt trong hoạt động chỉ để kéo máy phát sinh ra

Ở chế độ này động cơ đốt trong đóng vai trò là truyền mô

Đây là kiểu truyền lực kết hợp của hai kiểu truyền lực nối tiếp

điện năng. Dòng điện sinh ra để cung cấp cho động cơ điện

men chính giúp xe chyển động, còn động cơ điện đóng vai

và song song

hoạt động và một phần để sạc lại ắc quy.

trò truyền mô men phụ khi xe tăng tốc hoặc vượt dốc.

07/30


02

PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ THU HỒI

Ắc quy axit-chì

Ắc quy cao áp

Ngày nay thì ắc quy a-xít chì được thay thế bằng ắc quy khơ hoặc ắc quy cao áp với nhiều tiện ích. Ắc quy khô có công suất lớn hơn trong khi thể tích thì nhỏ hơn ắc quy a-xít. Năng
lượng thu hồi được từ hệ thống phanh chỉ khoảng 10% nên chúng ta cần tăng tỷ lệ này lên càng nhiều càng tốt.

08/30


03

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
THU HỒI NĂNG LƯỢNG TRÊN XE HYBRID

3.1. Mô tả sơ lược về chế độ hoạt động của xe Toyota Prius

1.

Trong điều kiện lái xe bình thường

- Chỉ động cơ điện hoạt động (EV)
- Động cơ đốt trong cung cấp công suất.
- Động cơ đốt trong cung cấp công suất và ắc quy cao áp được
sạc.
2. Trong q trình tăng tớc
3. Khi xe giảm tớc hoặc phanh

Các chế độ hoạt động của xe Prius
09/30


03

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
THU HỒI NĂNG LƯỢNG TRÊN XE HYBRID

3.2. Hệ thống thu hồi năng lượng trên xe Toyota Prius
Máy phát điện (MG1)

Động cơ

Ắc quy

Bánh răng mặt trời

Morto điện (MG2)

Hộp số

Bánh xe và phanh

Vi sai

Đường truyền năng lượng cơ
Đường truyền năng lượng điện
Bánh xe và phanh

10/30


NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ

03

THU HỒI NĂNG LƯỢNG TRÊN XE HYBRID

3.2. Hệ thống thu hồi năng lượng trên xe Toyota Prius

MG1

Bộ chuyển đổi điện

MG2

PSD

Ắc quy cao áp

11/30


03

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
THU HỒI NĂNG LƯỢNG TRÊN XE HYBRID

3.2. Hệ thống thu hồi năng lượng trên xe Toyota Prius

Các thông số cơ bản

Giá trị

Khối lượng bản thân xe [Kg]

1360

Chiều dài cơ sở [mm]

2700

Chiều cao trọng tâm [mm]

500

Động cơ đốt trong
Dung lích xy lanh [cc]

1497

Công suất động cơ cực đại [kW]

57 (5000 rpm)

Ắc quy NiMh
Số mô đun

28

Năng lượng ắc quy [kWh]

1,3

Điện áp của ắc quy [V]

201,6

Điện áp cực đại của bộ chuyển đổi điện [V]

510

Bộ bánh răng hành tinh
(Vịng ngồi,hành tinh,mặt trời)

(78/23/30)

Tỉ sớ truyền lực chính

4,113

12/30


03

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
THU HỒI NĂNG LƯỢNG TRÊN XE HYBRID

3.3. Cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình tính toán

Mơ hình lực tác dụng lên ơ tơ khi phanh

13/30


03

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
THU HỒI NĂNG LƯỢNG TRÊN XE HYBRID

3.4. Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab – Simulink

Mơ hình tổng thể của mơ phỏng

14/30


03

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
THU HỒI NĂNG LƯỢNG TRÊN XE HYBRID

3.4. Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab – Simulink

Mơ hình thuật toán điều khiển của mơ phỏng
15/30


03

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
THU HỒI NĂNG LƯỢNG TRÊN XE HYBRID

3.4. Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab – Simulink

Mơ hình điều khiển chế độ lái EV – HEV

16/30


03

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
THU HỒI NĂNG LƯỢNG TRÊN XE HYBRID

3.4. Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab – Simulink

Mơ hình tính toán mơ men phanh của hệ thống phanh nối tiếp
17/30

03

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
THU HỒI NĂNG LƯỢNG TRÊN XE HYBRID

3.4. Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab – Simulink

Công thức tính tổng mô men phanh yêu cầu:

2
Myc = μ.P.π.Ba .Rm.Npads

Công thức tính mô men phanh tái sinh:

Mh = MMG2.Kv.Ksoc

18/30


03

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
THU HỒI NĂNG LƯỢNG TRÊN XE HYBRID

3.4. Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab – Simulink

Mơ hình hệ thớng truyền lực

Mơ hình hộp sớ
19/30


03

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
THU HỒI NĂNG LƯỢNG TRÊN XE HYBRID

3.4. Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab – Simulink

MG1

MG2

Công suất cực đại [kW]

30

50

Tốc độ cực đại [rpm]

10000

6000

160 (0-1800 rpm)

400 (0-1200 rpm)

Mơ men xoắn cực đại
[Nm]

Mơ hình động cơ điện
20/30


03

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
THU HỒI NĂNG LƯỢNG TRÊN XE HYBRID

3.4. Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab – Simulink

Mơ hình ắc quy và bộ chuyển đổi điện
21/30


03

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
THU HỒI NĂNG LƯỢNG TRÊN XE HYBRID

3.4. Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab – Simulink

Cơng thức tính mức tiêu hao nhiên liệu:

 

 

FE

Mơ hình tính toán nhiên liệu
22/30


03

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
THU HỒI NĂNG LƯỢNG TRÊN XE HYBRID

3.4. Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab – Simulink

Trong đề tài này sử dụng 4 chu trình lái xe:
- FTP 75 thử nghiệm trong điều kiện thành phố của EPA Federal Test
Procedure, Mĩ
- NEDC thử nghiệm xe trong điều kiện thành phố theo tiêu chuẩn Châu ÂU
- US06 thử nghiệm xe với hành vi lái xe tốc độ cao hoặc tăng tốc cao, dao động
tốc độ nhanh.
- Artemis Rural Road. thử nghiệm lái xe đường nông thôn ở châu âu.

23/30


03

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
THU HỒI NĂNG LƯỢNG TRÊN XE HYBRID

3.4. Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab – Simulink
Chu trình FTP 75 gồm 3 giai đoạn:
- Giai đoạn 1 (Cold start phase) kéo dài trong 505s, tương ứng với qng
đường 5,78km với tớc đợ trung bình 41,2km/h.
- Giai đoạn 2 (Transient phase) kéo dài trong 867s và được bắt đầu sau giai
đoạn 1 (Cold start phase)
- Giai đoạn 3 giớng như giai đoạn 1 của chu trình trước và được khởi động
lại sau khi đã dừng động cơ 10 phút kể từ lúc kết thúc giai đoạn 2.
Quãng đường di chuyển: 17.77 km
Khoảng thời gian: 1874s
Tốc độ trung bình: 34.1 km/h

Chu trình thử FTP 75
24/30